Question

工業生產粗硅的主要原理為：SiO₂+2CSi(粗)+2CO↑。

(1)若在制粗硅的過程中同時生成了碳化硅，且生成的硅和碳化硅的物質的量之比為5∶1，則參加反應的C和SiO₂的質量比為____________。

(2)工業上可通過如下流程由粗硅制取純硅：

Si(粗)SiCl₄(l) Si(純)

若上述反應中Si(粗)和SiCl₄的利用率均為80%，制粗硅時有10%的SiO₂轉化為SiC，則生產100.8 t純硅需純度為75%的石英砂多少噸？

(3)工業上還可以通過下圖所示的流程來制取純硅：

反應①：Si(粗)+3HCl(g) SiHCl₃(l)+H₂(g)

反應②：SiHCl₃+H₂Si(純)+3HCl

假設在每一輪次的投料生產中，硅元素沒有損失，反應①中HCl的利用率為75%，反應②中H₂的利用率為80%，則在下輪次的生產中，需補充投入HCl和H₂的體積比為多少？

Answer 1

(1)13∶30

(2)設需純度為75%的石英砂的質量為x。

根據題意有下列關系式：

                SiO₂  —  Si    —    SiCl₄    —    Si(純)

                  60                                          28

x×75%×(1-10%)×80%×80%             100.8 t

解得：x=500 t

(3)設每輪生產投入的粗硅中含1 mol Si，

則由反應①可知：消耗HCl的物質的量為3 mol/75%=4 mol，生成H₂的物質的量為1 mol。

由反應②可知：消耗H₂的物質的量為1 mol/80%=1.25 mol，生成HCl的物質的量為3 mol。

則在一輪次的生產中，需補充投入HCl和H₂的物質的量之比(即體積比)為：

(4 mol-3 mol)∶(1.25 mol-1 mol)=4∶1

解析：本題考查化學計算的能力。

(1)SiO₂+2CSi+2CO↑  Si+CSiC

當生成的硅和碳化硅的物質的量之比為5∶1時，參加反應的C和SiO₂的物質的量之比為13∶6。

(2)設需純度為75%的石英砂x。根據題意有下列關系式：

               SiO₂  —  Si    —    SiCl₄    —    Si(純)

                 60                                          28

x×75%×(1-10%)×80%×80%             100.8 t

解得：x=500 t

或由Si原子守恒：x×75%×(1-10%)×80%×80%/60=100.8/28

解得：x=500 t

(3)設每輪生產投入的粗硅中含1 mol Si。則由反應①可知：消耗HCl的物質的量為3 mol/75%=4 mol，生成H₂的物質的量為1 mol。由反應②可知：消耗H₂的物質的量為1 mol/80%=1.25 mol，生成HCl的物質的量為3 mol。則在一輪次的生產中，需補充投入HCl和H₂的物質的量之比(即體積比)為(4 mol-3 mol)∶(1.25 mol-1 mol)=4∶1。